JPS62133287A - 地熱流体の採集方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、地熱流体の採集方法Ｊ３よび装置に関する。

近年、我が国に於いては、地熱エネルギーの利用に関す
る認識が高まってきたのと同時に、新しい技術としての
熱水卓越型地熱用に対する開発・利用技術が確立される
に到り、熱水４１越型地熱田が多数存在している日本に
於ける地熱エネルギーの開発は急速な発展をみている。

しかし、我が国の主要な地熱用である熱水中越型地熱田
はそのもつ固有的特徴として蒸気生産を続けていくうち
に、蒸気生産坑井に於ける蒸気生産能力が年々減退して
いくという宿命的欠陥をもっている。

現在操業を行っている熱水卓越型地熱貯留層地熱発電地
域に於いて、各生産井の蒸気生産量が減少するに伴って
所定の発電出力の維持が困難になると見込まれる場合に
は、有望と見られる箇所に生産井を増掘し、既存生産井
からの減少蒸気量を補うという生産方式が取られている
。本方式による生産維持方式に於いては、当初見積られ
た地熱貯留層の可採熱水色あるいは可採エネルギー量を
増加させる方式とはなり得ない。従って新たに生産片を
増やすことは当然の結果として貯留層の生産寿命を短縮
することとなる。

しかし、地熱貯留層の可採熱水聞あるいは可採エネルギ
ー回を増加させることができれば、新たに生産井を増や
すことなしに、より多くの蒸気生産量をより長期に亙り
維持することが可能となろう。本発明は、生産井内のフ
ラッシュ面深度以深の熱水域に加圧気体を圧入すること
により、坑井内における地熱流体のフラッシュ面深度を
下げ、これにより流動坑底圧の静止坑底圧に対する相対
圧を下げることによって、坑井の蒸気生産能力の向上を
計ると同時に地熱貯留層の蒸気可採量を増加させる方法
を提供するものである。

地熱蒸気の生産坑井にみられる生産能力減退は大別して
次の要因から生ずるものと考えられる。

１）　地熱貯留層の蒸気生産に伴う圧力低下に起因する
もの。

２）　貯留層温度の低下に起因するもの。

３）　坑井生産指数（ＰＩ）の低下に起因するもの。

蒸気生産井に蒸気生産能力の減退が生ずる主要因として
あげられる上記３要囚のうち、現在までの調査では、１
）地熱貯留層の圧り低下、２）貯留層温度の低下の２要
因が主たるものであることが判明している。

地熱１”ｆｌよりの蒸気の生産量は基本的には次の関係
で定まるとみられる。即ち、 地熱用よりの蒸気総生産レート− 生産地熱流体のマス比重 ・・・・・・・・・・・・・・・　（１）こ）にｐｓは
静止坑底圧力もしくは地熱貯留層の静止圧力、Ｐｆは流
動坑底圧力を表わす。

また、生産坑井的流体のマス比重は坑内温度と圧力の関
数であり、生産坑井に於いては、生産指数の低下は通常
中ないとみられているので、地熱用の蒸気生産能力の減
退の主要因は貯留層圧力の低下による坑底プレッシレー
・ド０つ・ダウンの減少と貯留層ｌｒ度の低下による坑
内気水比の低下によるものとみて差支えない。

本発明は、この点に注目し、加圧気体の圧入、より具体
的には加熱蒸気を循環することにより、坑底に於ける圧
力差と坑内気水比を人工的に増加ざＵることにより、坑
井の蒸気生産能力の増大を計ることを目的としτ開発さ
れたものである。

第１図に基いて本発明方法の原理を説明する。

同図（ａ）において、１はつ゛−シング、２はチュービ
ング（加圧蒸気圧入管）、３は貯留層、４は熱水、５は
加熱蒸気、６は飽和蒸気、７は加熱蒸気圧入前のフラッ
シュ面、８は加熱蒸気圧入後のフラッシュ面、９は気体
圧入点をそれぞれ表わす。

チュービング２は、本発明に従って熱水中に加熱蒸気を
圧入するために坑井内に挿入されたものであって、従来
の方法では使用されない。すなわち、従来の方法では、
貯留層３から噴出してケーシング１内を上昇してくる熱
水４を坑口から取出して捕集装置に導き採集していた。

この場合、貯留層の静止坑底圧力、熱水の温度等によっ
て定まる一定深度の位置にフラッシュ面（熱水が沸とう
して気化する面）ができる。この位置は、長期間では流
動坑底圧力の低下に伴なって降下するが、実際の熱水採
集作業時においては、相当の長時間にわたり連続的に熱
水採集して谷、はどんど識別できるほどの変化がない。

第１図中の７はこの位置を示している。フラッシュ面の
深度は、たとえば３００ｔｂ る頃までほとんど変化しない。１００ｔＯｎ／時程度に
なったどき低下し始めるが、それでも当初のレベルより
数ｍ下る程度である。本発明の方法は、こカンρの のように−ｒツシ・面深度が下り始めた時以後に適用す
る場合に採算上特に有効であるが、生産量増加の目的上
は当然最初から適用することもくるようにチュービング
を熱水中に挿入して、通常３００〜４００℃程度に加熱
した蒸気を圧入することによって行なう。チュービング
先端から噴出された高温の加圧蒸気は、下から噴き上げ
て（る熱水の圧力に押し戻され、噴出直後に反転して熱
水中を上昇する。第１図（ｂ）中実線Ａは加熱蒸気圧入
前の各深度における圧力分布の状態を示す。坑底レベル
上の点Ｃは坑井開目前の地熱流体圧力の大きさく静止坑
底圧力）を表わす。坑井の開口により、地熱流体圧力は
直らに、Ｄｌで表わされる大ざざまで低下する。そして
坑井内の各深度における流体圧力は実線Ａによって示さ
れるごとくなる。Ａ上の点Ａ７は第１図（ａ）上の点７
（圧入前のフラッシュ面）に対応する位置における流体
圧力を表わす。チュービング２の先端位置９に対応する
深度にお（）る流体圧力はＡ９である。したがって、加
熱蒸気を圧入するためにはＡ９にうちかつ圧力をかけな
ければならない。これは、かなり大きな圧力であるため
、蒸気が実際にデユーピング先端から噴出するに到るま
では決して容易ではなく、通常キックオフバルブなどを
使って段階的に圧力を上げて行なう。しかし、−たん噴
出し始めると比較的容易に圧入を継続することが可能で
ある。坑井内流体圧力は曲線Ａに沿って変化するのでＡ
９より下の深度においては、ますます流体圧力は高くな
る。したがって、圧入された加熱蒸気は反転して熱水と
共に上昇する。この際加熱蒸気（３００℃〜４００℃）
のもっている大きな熱エネルギーは噴出面以上の位置に
ある坑井内熱水に主として吸収されるので、熱水の気化
が著しく促進される。坑口圧力はほず一定に保たれてい
るので、熱エネルギーの著しい増加によりその周方の飽
和圧力が高まり、フラッシュ面が下方に移動する。

第１図（ａ）では、この蒸気圧入後のフラッシュ面を８
で示した。蒸気圧入後の各深度におりる流体圧力の分布
は第１図（ｂ）の点線Ｂで示ずごとくなる。圧入後のフ
ラッシュ面８に対応する流体圧力はＢ８で表わされる。

圧入後の坑底圧力はＤ２の位置まで低下する。Ｄ＋　、
０２などを流動坑底圧力と呼んでいる。第１図（ｂ）中
の実線Ｘは蒸気圧入前の坑井内流体濡度の分布を示して
いる。点線Ｙは蒸気圧入後の噴出端９以上のレベルにお
ける流体温度の分布を示している。

地熱田よりの蒸気の生産量は、坑底における圧力差すな
わら、静止坑底圧と流動坑底圧との差に比例するど考え
てよいことを、先に示した（１）式に関連する説明で既
に述べた。第１図（ｂ）についてこれを考えれば、生産
量はＣ−Ｄの大きさに比例すると考えてよい。図より明
らかなごとく、圧入により流動坑底圧はＤｌからＤ２に
下ったのであるから、当然（Ｃ−Ｄ２　）　＞　（Ｃ−
Ｄ＋　）となり、生産量が増加することがわかる。

本発明の実施において、原理的には水蒸気以外の適切な
高温高圧気体を使用することが可能であるが、実用的に
は、生産蒸気に異質の気体を混入させないこと、エネル
ギーの有効利用ができることなどの理由によって、生産
蒸気の一部を循環して使用することが好ましい。この意
味で本発明の方法を゛蒸気強制循環式揚水法″と呼ぶこ
とができる。これを英語で表現づれば、Ｓｔｅａｍ　Ｅ
ｎｈａｎｃｅｄＣｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ　ＬＨｔｉｎｇ
　５ｙｓｔｃｌｎとなるので、以下これを略してＳＥＣ
法と呼ぶことにする。すなわちＳＥＣ法は、生産井内熱
水域に適切な加圧気体を圧入し生産蒸気岱を増加させる
システムである（第１図）。このシステムは、熱水卓越
型地熱貯留層生産井の坑口圧力を一定に保らながら、生
産Ｊ：［内のフラッシュ面深度以深の熱水域に適切な加
圧気体を圧入することにより、坑井内に於ける地熱流体
のフラッシュ面深度を下げ、生産井内水頭圧（流動坑底
圧）の地熱貯留層圧力（静止坑底圧）に対する相対圧を
下げることで熱水採取ωを増加さｕ１併せて坑口での生
産蒸気量を増やそうとするものである。

本発明方法の実施に際し、チュービング（坑井内圧入管
）とケーシングアニユラス間に適当な断熱Ｈの使用が可
能な場合に於いては１．生産飽和蒸気の一部を十分な圧
ノコまで昇圧し、加熱蒸気として圧入することでエネル
ギーを循環利用することが可能である。実施に適した好
ましい循環システムの一具体例を第２図に示す。この場
合の昇圧は蒸気タービンコンプレッサーを用いて行うが
、蒸気タービンを駆動するに必要な蒸気も、坑口で生産
した飽和蒸気の一部を用いることができる。一般に地熱
発電システムでは、生産井坑口圧は、発電に用いる蒸気
タービンに導入する蒸気圧より高いので、セパレーター
を通して減圧増用した蒸気を発電に用いている。従って
圧入蒸気の昇圧に用いる蒸気タービンの排気側圧力を上
記セパレーター蒸気圧力に設定すれば、この蒸気タービ
ン通過後の発生蒸気を直接発電に用いることができる。

つまり、この場合には蒸気タービンコンプレッサーの効
率に関わる部分を除いて、系外へのエネルギーの損失は
ほどんどないと考えてよい。

第２図は本発明の実施に適した蒸気強制循環システムの
概念図である。図中、１はケーシング、２はチュービン
グ、１０は加熱蒸気圧入管坑口部バルブ、１１は生産蒸
気取出用坑口部バルブ、１２はせバレーター、１３は蒸
気輸送管、１４はセパレーター、１５はコンプレッサー
、１６はタービン、１７はセパレーター、ａ、ｂ、ｃは
それぞれの位置にお（）る圧力、ＫＳＣはＫｆｌ　／　
ｃｍ　２をそれぞれ表わす。

生産蒸気の大部分は輸送管１３によって輸送され、セパ
レーター１４で減圧増量さＵて圧力Ｅ）　Ｋ９　／　ｃ
ｍ　２の状態で発電蒸気タービンへ送られる。生産蒸気
の一部はセパレーター１２の別の出口から圧力ａ　Ｋ９
／α２の状態で取出され、その一部はタービン１６をま
わすために使用され、残部はコンプレッサー１５によっ
て圧力ＣＫｇ／ｃＩ１２に加圧されて坑口に送られ、デ
ユーピング２を通じて熱水中に圧入される。タービン１
６をまわした蒸気は、その排気側の圧力がｂ　Ｋ９　／
　ｃｍ　２となるように調節され、セパレーター１７を
通過した後、圧力ｂ　Ｋ９　／　ｃｍ　２の状態で発電
蒸気タービンへ送られる生産蒸気に合流させられる。こ
の場合の圧力の関係がｃ＞ａ＞ｂとなるように調節する
ことによって、最もエネルを一損失の小さい状態で操業
することが可能どなる。

次に、本発明方法の実操業への適用の効果をシミュレー
ターにより検討した結果を示す。

計算は、坑井的流動解析シミュレーターＧＥＯＶＥＲを
用いて行なった。第３図に計算に用いた坑井仕様及び坑
井周辺の貯留層温度分布を、また第１表に計算に使用し
た設定諸条件をそれぞれ示す。シミュレーターには坑井
からその周辺貯留層への熱損失の計算も組み込まれてい
たが、例示した計輝に於いては、生産流量が３００ｔｏ
ｎ／１１ｒ以上と多いため結果的に熱損失はほとんど見
られないものとなった。ここでは蒸気圧入が可能な場合
におけるケースを設定し、それぞれ１０ｔｏｎ　／ｈｒ
、　２０ｔｏｎ　／ｈｒ。

３０ｔｏｎ　／ｈｒ、　４０ｔｏｎ　／ｂｒの４ケース
に関する試算を行なった。第４図に計算結果として得ら
れた坑井内圧力、温度分布を、また第２表に計算結果の
まとめを示す。第４図によれば、この計算例では３０ｔ
Ｏｎ　／ｈｒ以上の加熱蒸気圧入時に圧入深度で２相状
態が作られていることがわかる。第５図は第２表の結果
を示したものである。圧入蒸気量を増やせば生産蒸気総
組が増り°ことがわかるが、第２表に示す圧入による生
産エネルギー増量の推移を見ると圧入蒸気■が増加する
につれて生産エネルギー増量の増加割合は減少している
ことがわかる。

特に３０ｔｏｎ　／ｈｒ圧入時と４０ｔｏｎ　／ｈｒ圧
入時の差は少ない。これは加熱蒸気圧入深度で２相状態
が作られるようになると、それ以深では常に無接熱水で
存在することがら生産井水頭圧の変化が僅かなものとな
り、したがって貯留層からの全生産量の増加も少なくな
るためによるど考えられる。

第１表　　語算設定条件 これはｍ４図に見る３０ｔｏｎ　／ｈｒ蒸気蒸気圧入圧
０ｔｏｎ　／ｈｒ蒸気蒸気圧入圧力分布がほとんど同じ
ことからも判断される。即ら４０ｔｏｎ　／ｈｒ蒸気蒸
気圧入圧産蒸気エネルギー総量の増加は圧入蒸気により
与えられた熱エネルギーのみに影響されたものと見なさ
れる。

第４図および第２表に示す通り、本発明の方法により坑
井内熱水中に加熱蒸気を圧入することにより、フラッシ
ュ面深度が下がり、貯留層生産量が大幅に増加すること
が理解される。

ＳＥＣ法の導入は、地熱貯留層の可採熱水聞あるいは可
法エネルギー吊を増大させ、少ないエネルギー消費で発
電蒸気タービンに導入する蒸気量を増加させることが確
かめられた。

現実の地熱貯留層へのＳＥＣ法の導入に際しては、地熱
貯留層の品持性を十分に把握し、最も経済性の高い坑井
仕様、圧入気体の種類、圧入深度、圧入気体吊及びチュ
ービング並びに断熱材の選定を行なうことが肝要となろ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の地熱流体採集方法の概要および原理を
示す図である。 第２図は本発明の好ましい一具体例である蒸気強制循環
システムの概念図である。 第３図は、シミュレーター計算に用いた坑井仕様（８図
）および貯留層温度分布（ｂ図）をそれぞれ示す図であ
る。 第４図はシミュレーター計算によって得られた坑井内圧
力・温度分布（設定坑口圧力２４．γＫＳＣＡ　）を示
す図である。 第５図は圧入蒸気と生産蒸気の関係（設定坑口圧力２４
．７ＫＳＣ＾）を示す図である。 図中の番号は次のものをそれぞれ表わす。 １・・・ケーシング ２・・・チュービング（加圧蒸気圧入管）３・・・貯留
層　　　　　　４・・・熱　水５・・・加熱蒸気　　　
　　６・・・飽和蒸気７・・・加熱蒸気圧入前のフラッ
シュ面８・・・加熱蒸気圧入後のフラッシュ面９・・・
気体圧入点

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱水卓越型地熱貯留層生産井の坑口圧力を一定に
   保ちながら、生産井内のフラッシュ面深度以深の熱水域
   に加熱蒸気を圧入することにより、坑井内における地熱
   流体のフラッシュ面深度を下げ、生産井内水頭圧（流動
   坑底圧）の地熱貯留層圧力（静止坑底圧）に対する相対
   圧を下げることにより単位時間当りの熱水採集量を増加
   させ、かつ坑口での生産蒸気量を増加させることを特徴
   とする地熱流体の採集方法。
2. （２）前記加熱蒸気として、生産蒸気の一部を分離して
   コンプレッサーで断熱圧縮して使用することからなる特
   許請求の範囲第１項に記載の方法。
3. （３）前記コンプレッサー駆動用タービンの動力源とし
   て、生産蒸気の一部を分離して使用することからなる特
   許請求の範囲第２項に記載の方法。
4. （４）坑口より取出した生産蒸気を圧力ａＫｇ／ｃｍ＾
   ２の第１部分と圧力ｂＫｇ／ｃｍ＾２の第２部分とに分
   割し、第１部分をそれぞれ圧力ａＫｇ／ｃｍ＾２の第３
   部分と第４部分とに分割し、第３部分をコンプレッサー
   により断熱圧縮して圧力ｃＫｇ／ｃｍ＾２の第５部分と
   し、第４部分は前記コンプレッサー駆動用のタービンの
   動力源として使用し、該タービンの排気が圧力ｂＫｇ／
   ｃｍ＾２の第６部分となるようにし、前記圧力の大きさ
   が、ｃ＞ａ＞ｂの関係を満たすように調節することによ
   つて圧力ｃＫｇ／ｃｍ＾２の第５部分を連続的に最初の
   フラッシュ面以深の地熱流体中に圧入し、一方圧力ｂｋ
   ｇ／ｃｍ＾２の第２部分と第６部分とを合して連続的に
   発電蒸気タービンへ送ることからなる、特許請求の範囲
   第１項に記載の方法。
5. （５）（ I ）（イ）蒸気生産井のケーシング内に挿入
   され、上端部を坑口に装着されたケーシン グ・ヘッドに固定され、下端部をあらかじ め計画設定された潜水深度に位置せしめら れ、かつ環状部分に断熱材として適当な液 を圧入された加熱蒸気圧入用の二重チュー ビング、 （ロ）必要に応じ蒸気の始動圧入圧力を下 げるために、適切に計画された深度にあら かじめ装着されたキック・オフ・バルブ、 および （ハ）前記二重チュービングを坑口に装着 するためのケーシングヘッド、からなる加 熱蒸気圧入機構； （II）（ニ）生産蒸気の一部を分離して圧入並びに動力
   用蒸気を供給するための蒸気分離手 段、および （ホ）分離した蒸気を加圧して圧入用蒸気 とするための蒸気加圧手段；からなる循環 蒸気の製造機構；および （III）生産蒸気のうち、坑井に強制循環するもの以外
   の使用可能な蒸気を産業上利用で きるに足る十分な乾き度をもつ状態に整備 するための生産処理機構； の組合せからなることを特徴とする、地熱流体の採集装
   置。